CN112695842B - 一种无压力罐恒压供水控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无压力罐恒压供水控制方法，属于供水技术领域。它解决了现有的供水在压力罐时，存在用水响应慢问题。本无压力罐恒压供水控制方法包括：实时获取用户端与水管管网的压力差值；由压力环调节器根据压力差值得出速度控制值并与电机速度反馈量进行差值比较得转速差值；将由压力前馈函数根据压力差值得出的第一电流分量、由速度前馈函数根据速度控制值得出的第二电流分量和由速度环调节器根据转速差值得出的第三电流分量进行计算得到力矩电流控制值并与力矩电流反馈量进行差值比较得电流差值，由力矩环调节器根据获得的电流差值得出电压控制值，使水泵电机以电压控制值进行工作。本发明能够在无压力罐时仍能快速响应用户的用水需求。
Description
技术领域
本发明属于供水技术领域，涉及一种无压力罐恒压供水控制方法。
背景技术
随着住房楼层不断加高，原有的自来水管网压力随楼高而递减，导致高楼层用户在用水高峰时出现水压不够或不出水的现象。在这样的背景下，基于变频恒压供水装置的生活二次给水随之产生，这种变频恒压供水装置的应用能够避免城市供水压力过高而引起的管路爆裂，或者压力过低使自来水无法到达居住位置较高的居民家中的问题。
目前，这种变频恒压供水装置一般由压力灌、压力传感器、抽水叶轮、电机和变频器几大块组成一套恒压供水系统。该系统中压力罐是一个底部与供水管道连接的密闭容器，管道中的水在压力作用下进入容器并挤占空气体积，形成压缩空气，直到达到一个平衡点。当水压升高时水会进一步挤进压力罐，避免压力陡然上升；当水压降低时水会在空气作用下进入管道避免压力陡然下降。较大的罐子，还可以起到均衡流量，存储介质的作用。由此可知，压力罐在恒压供水系统中的作用显著。但是压力罐体积较大，在空间狭小的家用领域很不方便，而去掉压力罐则能极大地节省系统安装空间，给用户带来切身实惠，但如果没有压力罐则在这期间用户突然用水时，变频器控制响应需要时间，用户会感觉出水压力变小、水量不足，用户使用体感下降等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种无压力罐恒压供水控制方法，其所要解决的技术问题是：如何在无压力罐时仍能快速响应用户的用水需求。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种无压力罐恒压供水控制方法，包括如下步骤：
A、实时获取用户的水压设定值与水管管网内压力检测值之间的压力差值；
B、由压力环调节器根据步骤A中获取的压力差值得出水管管网上水泵电机的速度控制值并将得出的速度控制值与电机速度反馈量进行差值比较，获得转速差值；
C、由压力前馈函数根据步骤A中获取的压力差值得出第一电流分量；由速度前馈函数根据步骤B中得出的速度控制值得出第二电流分量；由速度环调节器根据步骤B中获得的转速差值得出第三电流分量；
D、将第一电流分量、第二电流分量和第三电流分量进行叠加计算得到力矩电流控制值并与力矩电流反馈量进行差值比较获得电流差值，由力矩环调节器根据获得的电流差值得出电压控制值，使水泵电机以电压控制值进行工作。
在使用时，用户预先设定水压设定值，控制环路中则将会实时获得水压设定值与水管管网内压力检测值的压力差值，再由压力前馈函数根据压力差值获得第一分量电流，由速度前馈函数根据压力环调节器得出的速度控制值获得第二分量电流I2，由速度环调节器根据速度控制值与电机速度反馈量的转速差值获得第三分量电流，进而将第一分量电流、第二分量电流I2和第三分量电流进行叠加计算后反馈给力矩环调节器，通过这样的方式，能够更快响应压力检测值与水压设定值之间的差值变化，保证了在无压力罐时仍能快速响应用户的用水需求，而且能够通过对输出给水泵电机的电压控制值进行精确调节控制，使水泵电机转速快速且精确地增加，从而带动叶轮工作快速增加水管管网内的压力，使水管管网内的压力快速响应用户的水压设定值，避免电机转轴上的负载力矩跌落后，由于速度环调节器响应滞后，导致电机的速度瞬间上升，影响电机使用性能和寿命的问题，通过本控制方法能够加快压力补偿的响应速度，同时保证了整个回路工作的稳定性和安全性。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤B中，压力环调节器公式为：
其中，Ncmd为速度控制值；detP为水压设定值与水管管网内压力检测值之间的压力差值；Kpp为压力环比例调节系数；Kpi为压力环积分调节系数；Kpd为压力环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。压力环调节器采用现有的PID控制器，其根据压力指令和管网内反馈的压力之间的压力差值来实时调节水泵电机的转速指令，消除管网内压力与压力指令之间的静差，加快反馈压力的动态跟踪速度。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤C中，压力前馈函数如下：
I1＝F1(detP)＝K13·detP3+K12·detP2+K11·detP；
其中，I1为第一分量电流；detP为水压设定与水管管网内压力检测值之间的压力差值；K13为压力差3次方前馈系数；K12为压力差2次方前馈系数；K11为压力差1次方前馈系数。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤C中，速度前馈函数如下：
其中，I2为第二分量电流；Ncmd为由压力环调节器得出的速度控制值；K22为速度控制值2次方前馈系数；K21为速度控制值1次方前馈系数。速度前馈函数的设置，能够让电机更快速输出目标转速下所需的力矩分量，加快速度的跟踪响应，对无压力罐下的压力跌落补偿提供了有益效果。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤C中，速度环调节器公式为：
其中，I3为第三分量电流；detN为速度控制值与电机速度反馈量的转速差值；K3p为速度环比例调节系数；K3i为速度环积分调节系数；K3d为速度环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。速度环调节器的设置，实现了电机速度反馈量与速度控制值之间的无静差跟踪，确保了水泵在无压力罐下水管管网压力仍能快速响应用户设定的压力指令。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤D中，力矩环调节器公式为：
其中，Vcmd为由力矩环调节器得出的电压控制值；detI为力矩电流控制值与力矩电流反馈量的电流差值；Kip为力矩电流环比例调节系数；Kii为力矩电流环积分调节系数；Kid为力矩电流环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤B中，电机速度反馈量N通过速度传感器测量获得或通过电机速度观测器计算获得；在所述步骤D中，力矩电流反馈量Iq由以下公式获得：
其中，ud为电机在旋转dq坐标系中d轴的定子电压；uq为q轴的定子电压；iq为q轴的电枢电流；id为d轴的电枢电流；p为电机的极对数；L为电枢电感；wr为电机转子机械角速度；Rs为电枢绕组电阻；Ψf为永磁铁产生的磁链，为常量。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤A中，还包括如下步骤：
实时监控电机输出的电磁功率Pem，并根据电磁功率Pem与设定值Pmin的比较来判断是否处于用水状态，在电磁功率Pem小于设定值Pmin且时间大于设定时间值T1时判断当前水管管网处于闲置无用水需求状态，控制电机进入低速低功耗运行模式；反之，则判断处于用水状态，则进入实时获取水压设定值与管道内压力检测值间的压力差值的操作步骤。设置电机的低速低功耗运行模式，能够在无用水需求时，控制电机进入低速运转的低功耗运行模式，达到节能效果，同时在用户突然间需要用水时也能快速响应用户的用水需求。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤A中，在电机进入低速低功耗运行模式后，实时监控水管管网内压力检测值，并在压力检测值小于预设压力值时判定用户进入用水状态，则进入实时获取水压设定值与水管管网内压力检测值之间的压力差值的操作步骤。通过水管管网内的压力来判定用户是否进入用水状态，能够更精确地判定用户的用水需求，并使恒压控制系统能够更快响应用户的用水需求。
在上述的无压力罐恒压供水控制方法中，在所述步骤A中，还设定有时间值T2，在电机进入低速低功耗运行模式后对该运行模式的持续时间进行计时，在持续时间大于时间值T2时，控制电机进入停机模式。进入停机模式时，电机和变频器均进入停机状态，停机模式的设置，能够让用户在深夜或节假日出去旅游等长时间没有用水需求时，进一步实现节能省电目的。
与现有技术相比，本无压力罐恒压供水控制方法具有以下优点：
1、本发明在无压力罐时通过压力前馈函数对水压指令与水管管网压力的压力差进行计算获得第一分量电流并直接反馈到力矩环调节器上，加快了压力的动态响应，与此同时，还通过速度前馈函数获得速度控制值的前馈补偿第二第二分量电流I2以及通过速度环调节器获得的第三分量电流对输出给电机的电压控制值进行补偿，能让电机更快速且更精确地输出目标转速下所需的力矩分量，加快跟踪响应的速度的同时，保证水泵在无压力罐下水管管网内的压力仍能精确跟踪用户设定的水压设定值，提高了用户的用水体感。
2、本发明还能在用户无用水需求时控制电机进入低速低功耗运转模式或者停机模式，达到节能和用水水压体验较好的双重目标。
附图说明
图1是本发明的控制流程图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本无压力罐恒压供水控制方法中，用户首先通过人机界面设定用户的水压设定值Pcmd，设置在水管管网上的压力传感器实时监测水管管网内的压力检测值Pw，之后进入实时获取水压设定值Pcmd与水管管网内压力检测值Pw间的压力差值detP的操作步骤，获得压力差值detP后其分两路，一路输入给压力前馈函数，一路输入给压力环调节器，压力前馈函数根据如下公式(1)进行计算第一分量电流I1，将得出的第一分量电流I1跨过压力环调节器和速度环调节器直接前馈到力矩环调节器上，这样可使系统的压力响应大大提升。
I1＝F1(detP)＝K13·detP3+K12·detP2+K11·detP； (1)
其中，K13为压力差3次方前馈系数；K12为压力差2次方前馈系数；K11为压力差1次方前馈系数。
公式(1)通过多次试验进行设计得出，通过采用对压力差值detP的三次方、二次方以及一次方的组合方式，能获取良好的压力跌落补偿效果。而公式(1)中的三个前馈系数跟水泵电机电流到输出力矩间的转换系数、水泵叶轮形状类型、水泵进水口和出水口大小等都有关系，是通过对小批量定型样机进行实验测试，微调确定得出的各个系数的大小。
压力环调节器则根据如下公式(2)进行计算水泵电机的速度控制值Ncmd；压力环调节器采用现有的PID控制器，它根据压力设定值Pcmd与压力检测值Pw之间的压力差值detP实时调节水泵电机的转速控制值Ncmd，消除反馈压力与压力指令之间静差，并加快反馈压力的动态跟踪速度。
其中，Kpp为压力环比例调节系数；Kpi为压力环积分调节系数；Kpd为压力环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。
上述压力差前馈函数虽然能一定程度上加快压力动态响应，但被控对象的非线性因素制约了其前馈精度，为了更精细的进行压力补偿以及确保压力动态响应时间，公式(2)得出的速度控制值Ncmd输入到速度前馈函数进行获取第二分量电流I2，同时速度控制值Ncmd与电机速度反馈量N进行差值计算获得转速差值detN，detN＝Ncmd-N，此获得的转速差值detN输入到速度环调节器；为了降低成本，电机速度反馈量N采用基于无位置传感器算法估算出来的电机速度，同时也可以通过速度传感器直接测量获取。其中，速度前馈函数由以下公式(3)根据速度控制值Ncmd获得第二分量电流I2。
其中，K22为速度控制值2次方前馈系数；K21为速度控制值1次方前馈系数。第二分量电流I2跨过速度环调节器直接反馈到力矩环调节器，能让水泵电机更快速输出目标转速下所需的力矩分量，加快速度的跟踪响应，这对无压力罐下的压力跌落补偿产生了非常有益的效果。
为了进一步提高压力的精确补偿，电机速度反馈量N与速度控制值Ncmd之间的无静差跟踪还要结合速度环调节器获得的第三分量电流I3来实现。速度环调节器采用现有的PID调节器，速度环调节器如公式(4)。
其中，K3p为速度环比例调节系数；K3i为速度环积分调节系数；K3d为速度环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。
之后，将前面获得的分量电流I1、第二分量电流I2和第三分量电流I3进行加法计算获得力矩电流控制值Icmd，力矩电流控制值Icmd如公式(5)所示：
Icmd＝I1+I2+I3； (5)
最后，将力矩电流控制值Icmd与力矩电流反馈量Iq进行差值计算获得电流差值detI并输入给力矩环调节器，由力矩环调节器根据电流差值detI获得电压控制值Vcmd，实时跟踪前面计算出来的力矩电流控制值Icmd，从而实现水泵在无压力罐下水管压力实时跟踪用户设定的水压设定值Pcmd。
力矩环调节器具体如公式(6)所示，其力矩环调节器的输入为力矩电流控制值Icmd与电机力矩电流反馈值Iq的差值detI，detI＝Icmd-Iq；其输出为水泵电机的电压控制值Vcmd；力矩环调节器也采用现有的PID调节器来实现。
其中，Kip为力矩电流环比例调节系数；Kii为力矩电流环积分调节系数；Kid为力矩电流环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。
最后，力矩环调节器输出的电压控制值Vcmd作用到水泵电机上，水泵电机开始转动带动叶轮进行旋转抽水，水泵电机速度慢慢上升使水管管网内的压力慢慢上升从而跟踪上水压设定值Pcmd，在超过水压指令Pcmd时降低电压控制值Vcmd，保证了水管管网内压力响应的高效性和安全性。
在控制系统内还建立有变频电机数学模型，用于模拟水泵电机、水管管网的工作情况，在本实施例中，水泵电机为面贴式隐极永磁同步电机(PMSM)，也可以采用异步电机、直流电机等其他类型电机。该变频电机数学模型的建立具体为：
电机在旋转dq坐标系中定子电压和定子磁链方程为
式中,ud，uq为d、q轴的定子电压；id，iq为d、q轴的电枢电流；ψd，ψq为d、q轴的定子磁链；Ld，Lq为d、q轴的电枢电感，对于隐极电机来说Ld＝Lq＝L；Rs为电枢绕组电阻；ψf为永磁铁产生的磁链，为常量；ω为电机电角速度，有ω＝pωr，p为电机的极对数，ωr为电机转子机械角速度；
由式(7)推出：
电机在旋转dq坐标系中电磁转矩方程为：
Te＝1.5p(ψdiq-ψqid)
＝1.5p[(Ld-Lq)idiq+ψfiq]
＝1.5pψfiq (9)
电机的转子动力学方程为：
式中，Te为电机的电磁转矩；Tm为电机的负载扭矩；b为电机的阻尼系数；J为电机的转动惯量；
在对这类永磁同步电机进行控制时，一般令d轴电流为0，即Id＝0，则式(8)可写成：
上述公式(9)、(10)、(11)一起构成电机的数学模型，并把力矩环调节器的电压控制值Vcmd送给电机的q轴电压分量uq，而d电压分量ud再稳态时近似为如下值：
则电机在式(12)作用下将输出转速Wr和q轴力矩电流Iq，而电机速度反馈量N近似为Wr。
上述为用户有用水需求时的操作步骤，在上述操作过程中，还实时监控电机输出的电磁功率Pem，该Pem＝Kp*N*Tem，其中，Tem为电机输出的电磁力矩，N为电机当前转速，Kp是个常数。再根据电磁功率Pem与设定值Pmin的比较来判断是否处于用水状态，在电磁功率Pem小于设定值Pmin且时间大于或等于设定时间值T1时判断当前水管管网处于闲置无用水需求状态，控制电机进入低速低功耗运行模式，其中，设定值Pmin可依据电机参数等因素进行人为设置，时间值T1可根据实际情况进行设定，如5min、8min等；在电机进入低速低功耗运行模式后，仍实时监控水管管网内压力Pw，并在压力Pw小于预设压力值时判定用户进入用水状态，则进入实时获取水压指令Pcmd与管道内压力Pw间的压力差值detP的操作步骤。在这一步中，还设定有时间值T2，时间值T2可设定为1小时或其他数值，如50min、80min，在电机进入低速低功耗运行模式后对该运行模式的持续时间进行计时，在持续时间大于时间值T2时，控制电机进入停机模式。
在电磁功率Pem未小于设定值Pmin或者时间小于设定时间值T1时，则判断处于用水状态，则进入实时获取水压指令Pcmd与管道内压力Pw间的压力差值detP的操作步骤，电机进入供水模式。
在水泵电机低速低功耗运行模式后，水管管网上的压力传感器实时对压力检测值Pw的变化进行监测，在无压力罐的情况下，当用户突然加大用水量时，水管管网内的压力检测值Pw会瞬间跌落，此时设置在水管管网上的压力传感器将监测到该压力检测值Pw并输送给控制系统的控制模块，控制模块在判断压力检测值Pw小于预设压力值时判定用户再次进入用水状态，则控制水泵电机进入工作模式，即重新进入实时获取水压设定值Pcmd与水管管网内压力检测值Pw间的压力差值detP等的操作步骤，其中的预设压力值可以为管道自然维持压力或人为根据经验设定的压力值。
本无压力罐恒压供水控制方法通过压力前馈函数、速度前馈函数和速度环调节器的共同作用来得出电压控制值Vcmd，能够加快压力动态响应，且能更精确地进行压力补偿。本控制方法在无压力罐情况下仍能快速响应用户的用水需求时，还能在用户间歇性用水需求下控制电机进入低速低功耗运行模式，达到节能和用水水压体验较好的双重目标。而停机模式则能让用户在深夜或节假日出去旅游时进一步实现节能省电目的。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、实时监控电机输出的电磁功率Pem，并根据电磁功率Pem与设定值Pmin的比较来判断是否处于用水状态，在电磁功率Pem小于设定值Pmin且时间大于设定时间值T1时判断当前水管管网处于闲置无用水需求状态，控制电机进入低速低功耗运行模式；反之，则判断处于用水状态，实时获取用户的水压设定值与水管管网内压力检测值之间的压力差值；
B、由压力环调节器根据步骤A中获取的压力差值得出水管管网上水泵电机的速度控制值并将得出的速度控制值与电机速度反馈量进行差值比较，获得转速差值；
C、由压力前馈函数根据步骤A中获取的压力差值得出第一电流分量；由速度前馈函数根据步骤B中得出的速度控制值得出第二电流分量；由速度环调节器根据步骤B中获得的转速差值得出第三电流分量；
D、将第一电流分量、第二电流分量和第三电流分量进行叠加计算得到力矩电流控制值并与力矩电流反馈量进行差值比较获得电流差值，由力矩环调节器根据获得的电流差值得出电压控制值，使水泵电机以电压控制值进行工作。
2.根据权利要求1所述的无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，在所述步骤B中，压力环调节器公式为：
其中，Ncmd为速度控制值；detP为水压设定值与水管管网内压力检测值之间的压力差值；Kpp为压力环比例调节系数；Kpi为压力环积分调节系数；Kpd为压力环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。
3.根据权利要求1所述的无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，在所述步骤C中，压力前馈函数如下：
I1＝F1(detP)＝K13·detP3+K12·detP2+K11·detP；
其中，I1为第一分量电流；detP为水压设定值与水管管网内压力检测值之间的压力差值；K13为压力差3次方前馈系数；K12为压力差2次方前馈系数；K11为压力差1次方前馈系数。
4.根据权利要求1或2或3所述的无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，在所述步骤C中，速度前馈函数如下：
其中，I2为第二分量电流；Ncmd为由压力环调节器得出的速度控制值；K22为速度控制值2次方前馈系数；K21为速度控制值1次方前馈系数。
5.根据权利要求1或2或3所述的无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，在所述步骤C中，速度环调节器公式为：
其中，I3为第三分量电流；detN为速度控制值与电机速度反馈量的转速差值；K3p为速度环比例调节系数；K3i为速度环积分调节系数；K3d为速度环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。
6.根据权利要求1或2或3所述的无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，在所述步骤D中，力矩环调节器公式为：
其中，Vcmd为由力矩环调节器得出的电压控制值；detI为力矩电流控制值与力矩电流反馈量的电流差值；Kip为力矩电流环比例调节系数；Kii为力矩电流环积分调节系数；Kid为力矩电流环微分调节系数；
为积分算子；s为微分算子。
7.根据权利要求6所述的无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，在所述步骤B中，电机速度反馈量通过速度传感器测量获得；在所述步骤D中，力矩电流反馈量由以下公式获得：
其中，ud为电机在旋转dq坐标系中d轴的定子电压；uq为q轴的定子电压；iq为q轴的电枢电流；id为d轴的电枢电流；p为电机的极对数；L为电枢电感；wr为电机转子机械角速度；Rs为电枢绕组电阻；Ψf为永磁铁产生的磁链，为常量。
8.根据权利要求1所述的无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，在所述步骤A中，在电机进入低速低功耗运行模式后，实时监控水管管网内压力检测值，并在压力检测值小于预设压力值时判定用户进入用水状态，则进入实时获取水压设定值与水管管网内压力检测值之间的压力差值的操作步骤。
9.根据权利要求1或8所述的无压力罐恒压供水控制方法，其特征在于，在所述步骤A中，还设定有时间值T2，在电机进入低速低功耗运行模式后对该运行模式的持续时间进行计时，在持续时间大于时间值T2时，控制电机进入停机模式。
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